Interferometría para niños
La interferometría es un grupo de técnicas que usan la luz (u otras ondas, como las de radio) para crear imágenes más claras o hacer mediciones muy precisas. Imagina que tienes varias cámaras o antenas que captan la misma luz o señal. La interferometría las combina para obtener un resultado mucho mejor, como si tuvieras un solo "ojo" gigante y muy potente. Esto se logra usando el principio de superposición, que explica cómo las ondas se suman o se restan.
Esta técnica se usa en muchas áreas, como la astronomía (para ver objetos muy lejanos), la climatología, la fibra óptica, la metrología (la ciencia de las mediciones), la oceanografía, la sismología (estudio de terremotos) y la espectroscopia (que analiza la luz para saber de qué están hechas las cosas). También es importante en la física y en el estudio de las interacciones biomoleculares.
La interferometría es muy útil en la radioastronomía, que estudia el universo usando ondas de radio. Es más difícil usarla con luz visible porque se necesita una precisión mecánica mucho mayor. Hoy en día, hay grandes proyectos de interferómetros ópticos que combinan la luz de telescopios gigantes en la Tierra, como el interferómetro Keck en Hawái y el Very Large Telescope Interferometer (VLTI) en Chile. En radioastronomía, destacan el Very Large Array (VLA) en Estados Unidos y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en Chile.
El principio básico es que cuando dos ondas de luz se encuentran, si sus "crestas" coinciden, se hacen más fuertes (se amplifican). Si una cresta coincide con un "valle", se anulan. Cualquier combinación intermedia también es posible. Al medir cómo se amplifican o se anulan dos haces de luz láser, se pueden hacer mediciones increíblemente pequeñas, incluso menores que la longitud de onda de la luz.
La interferometría no solo se usa en astronomía. También tiene aplicaciones más comunes, como medir la curvatura de lentes y espejos, y encontrar defectos en su superficie o en su material. Para estas tareas, se usan diferentes tipos de interferómetros, como el Twyman-Green y el Fizeau.
Uno de los primeros usos importantes de la interferometría fue en el famoso experimento de Michelson y Morley en 1887. Este experimento ayudó a demostrar que no existía el "éter" (una sustancia que se creía que llenaba el espacio) y sentó las bases para la relatividad especial de Albert Einstein. Hoy en día, se construyen interferómetros parecidos al de Michelson en grandes instalaciones (como LIGO o VIRGO) para intentar detectar ondas gravitatorias, que son ondulaciones en el espacio-tiempo predichas por la relatividad general.
El 11 de febrero de 2016, científicos del proyecto LIGO confirmaron que habían detectado ondas gravitatorias por primera vez en septiembre de 2015. Fue un descubrimiento muy importante.
Contenido
¿Cómo se clasifican los interferómetros?
Los interferómetros y las técnicas de interferometría se pueden clasificar de varias maneras:
Detección homodina y heterodina
La detección homodina ocurre cuando dos haces de luz con la misma longitud de onda (o frecuencia) se combinan. La diferencia en cómo están "alineadas" las ondas (su fase) hace que la intensidad de la luz cambie en el detector. Se mide esta intensidad o se observa el patrón de líneas que se forman. La mayoría de los interferómetros funcionan así.
La técnica heterodina se usa para cambiar la frecuencia de una señal o para amplificar una señal muy débil. Una señal de entrada débil se mezcla con una señal de referencia fuerte. Esta mezcla crea dos nuevas señales: una con la suma de las frecuencias y otra con la diferencia. Una de estas nuevas frecuencias se usa y la otra se descarta.
Una aplicación muy común de la técnica heterodina es el receptor superheterodino, inventado en 1917-1918. En este circuito, la señal de radio que llega de la antena se mezcla con una señal de un oscilador local. Esto la convierte en una señal de frecuencia más baja, llamada frecuencia intermedia (FI), que es más fácil de amplificar y filtrar antes de que se convierta en sonido para el altavoz. La detección heterodina óptica es una versión de esta técnica para frecuencias de luz visible.
Doble camino y camino común
¿Qué es un interferómetro de doble camino?
Un interferómetro de doble camino es aquel donde el haz de luz de referencia y el haz de luz que pasa por la muestra viajan por caminos separados. Algunos ejemplos son el interferómetro de Michelson, el interferómetro de Twyman-Green y el interferómetro de Mach-Zehnder. Después de que el haz de la muestra interactúa con lo que se está probando, se vuelve a unir con el haz de referencia para crear un patrón de interferencia que se puede analizar.
¿Qué es un interferómetro de camino común?
Un interferómetro de camino común es un tipo de interferómetro donde el haz de referencia y el haz de la muestra viajan por el mismo camino. Algunos ejemplos son el interferómetro de Sagnac, el giroscopio de fibra óptica, el interferómetro de difracción puntual y el interferómetro de cizallamiento lateral.
División del frente de onda y división de la amplitud
Interferómetros de división de frente de onda
Un interferómetro de división de frente de onda toma una onda de luz que sale de un punto o una rendija estrecha y la divide en dos partes. Después de que estas dos partes viajan por caminos diferentes, se vuelven a unir. La experiencia de Young y el espejo de Lloyd son ejemplos de este tipo.
En 1803, el experimento de interferencia de Young fue muy importante para que la gente aceptara la idea de que la luz se comporta como una onda. Si se usa luz blanca en este experimento, se ve una banda central blanca donde las ondas se suman, rodeada de patrones de colores que se hacen menos intensos. Este experimento se ha hecho no solo con luz, sino también con partículas muy pequeñas como electrones y moléculas.
El espejo de Lloyd crea patrones de interferencia combinando la luz directa de una fuente con la luz reflejada por un espejo. El patrón que se forma es asimétrico.
Interferómetros de división de amplitud
Un interferómetro de división de amplitud usa un espejo que deja pasar parte de la luz y refleja otra parte. Así, la onda de luz se divide en haces separados que luego se vuelven a unir.
El interferómetro de Fizeau se usa para probar superficies ópticas planas. Se coloca una superficie de referencia muy precisa sobre la superficie que se quiere probar, separadas por pequeños espacios. La separación de las superficies permite inclinarlas un poco entre sí. Al ajustar esta inclinación, se puede controlar la separación y dirección de las líneas de interferencia, haciendo que sean más fáciles de interpretar.
El interferómetro de Mach-Zehnder es más versátil que el de Michelson. Cada camino de luz se recorre solo una vez, y los patrones de interferencia se pueden ajustar para que aparezcan en el plano deseado. Si se usa luz blanca, es importante que los caminos ópticos sean exactamente iguales para poder ver los patrones.
El corazón del interferómetro Fabry-Pérot es un par de placas de vidrio con una capa de plata parcial, separadas por unos pocos milímetros o centímetros. La luz entra y se refleja varias veces entre las placas, creando múltiples haces que se unen para formar un patrón de anillos concéntricos. La nitidez de estos anillos depende de cuánto reflejan las placas. Si reflejan mucho, los anillos son estrechos y brillantes sobre un fondo oscuro.
Otros ejemplos de interferómetros de división de amplitud son el Michelson, el Twyman-Green y el interferómetro de Linnik.
Experimento de Michelson-Morley
Michelson y Morley (1887), y otros científicos de la época, usaban luz monocromática (de un solo color) solo para ajustar sus equipos. Para las mediciones reales, siempre cambiaban a luz blanca. La razón es que las mediciones se hacían observando directamente. La luz monocromática producía un patrón de líneas uniforme que era difícil de seguir si el equipo se movía un poco debido a vibraciones o cambios de temperatura. La luz blanca, en cambio, producía un patrón de líneas de colores distintivo, lo que facilitaba saber dónde estaban las líneas, incluso si desaparecían y volvían a aparecer. Esto fue un ejemplo temprano de cómo la luz blanca ayudó a resolver problemas de ambigüedad en las mediciones.
Galería de imágenes
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Esquema del interferómetro de Michelson.
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Figura 4. Cuatro ejemplos de interferómetros de trayectoria común.
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Figura 5. Dos interferómetros de división de frente de onda.
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Figura 6. Tres interferómetros de división de amplitud: Fizeau, Mach-Zehnder, e Fabry Pérot.
Véase también
En inglés: Interferometer Facts for Kids
- Luz coherente
- Interferómetro de trayecto común
- Interferómetro de Fizeau
- Interferómetro de Michelson
- Interferómetro Fabry-Pérot
- Interferómetro de Mach-Zehnder
- Síntesis de apertura
- Interferencia
- Tomografía de coherencia óptica
- Interferometría de muy larga base
- Principio de superposición
